epl工业以太网实时化概述及其应用

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1、EPL工业以太网实时化概述及其应用第一章绪论1.1网络化控制系统的发展现状网络化控制系统是一种完全网络化、分布化的控制系统，是通过网络构成闭环反馈的控制系统。与传统的控制系统相比，网络化运动控制系统具有信息传输数字化、节点智能化、控制现场和功能分散化以及系统开放性高等特点[4]。控制系统由非网络化走向网络化主要经历了6个发展阶段，各阶段分别以气动控制、模拟信号控制、集中式数字控制、集散式数字控制、现场总线控制和工业以太网控制为主要控制方式[5]。20世纪60年代以前，由于技术所限，工业生产现场只具有简单的气动电动仪表，各测量点都处于独立封闭状态，对

2、生产状况的检测只有通过操作人员现场巡检完成。70年代中期开始，出现了集散控制系统DCS(DistributedControlSystem)，该系统是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，在一定程度上优化了装置级和车间级的控制。但是，它并没有真正实现底层控制级的网络化，因此真正的网络控制并没有在DCS中实现[6]。20世纪末，随着通信方式的数字化、系统结构的分散化、互联网开放程度的提高，现场总线技术得到迅速发展，越来越广泛的应用在现场仪器仪表中，并形成了FCS(FieldbusControlSystem)现场总线控制系统

3、[7]。FCS大大减少了现场接线，系统集成大大简化，用单个现场仪表可实现多变量通信，不同制造商生产的装置间可以完全互操作。1.2实时以太网协议简介现代自动化控制的发展与通信技术的发展紧密相关，工业控制网络的发展在很大程度上对自动化控制起到促进作用，因此，将现代通信技术应用到工业自动化控制领域已成为必然趋势。实时以太网就是考虑到现场总线的实时性，与以太网通信技术相结合，建立适合工业自动化并有实时能力的以太网总线。实时的含义是指对一个给定的应用保证在一个确定的时间内，实现控制系统对信号的响应。实时以太网国际标准规定了包括Modbus/TCP、PROFI

4、、P-、Interbus、V/IP、TC、EtherCAT、EPL、EPA(中国)、EtherIP以及SERCOS等11种实时以太网行规集[10][11]。现分别就6种主要实时以太网通信协议进行分析。选这6种实时以太网协议重点分析是因为它们的用户最多，应用范围最广。其中，EPA作为国产的以太网协议，代表着国内工控通信的发展水平，有潜力成为国内工控网络领域的领航者。EPL是一个三层网络协议。物理层采用标准的以太网[12]。应用层集成了CANopen机制，采用纯软件方式实现，能达到硬实时（刚性的，不可改变的时间限制）的标准。而且该协议是完全透明的，任何

5、人都能够免费获得协议的源代码。数据链路层是EPL的核心，通信周期分为同步阶段、异步阶段和空闲阶段。同步阶段用于传输实时性较高，需要周期性传输的数据；异步阶段传输实时性要求不高、非周期性数据。EPL解决网络上数据冲突的方法是采用时间槽通信管理机制。每个通信网络上，都有至少一个设备作为管理节点（MN），其余都为受控节点（）。受控节点在管理节点允许的情况下才能够传输数据，因此，能够有效避免网络上的数据冲突[13]。第二章基于EPL协议的解析与实现2.1协议的整体架构OSI是一个用于开放信息处理系统标准化的通信模型，它是当今许多通用无数据优先级传输协议的参

6、考模型。在这个模型中将数据传输的任务分为七层，从低到高依次为应用层、表示层、会话层、运输层、网络层、数据链路层和物理层[10]，除了最底层，每层都建立在另一层的基础之上。EPL规定了OSI标准中的物理层、数据链路层和应用层。如图2.1所示为EPL协议网络参考模型。EPL的物理层采用标准的以太网，遵循IEEE802.3快速以太网标准，主从节点都可以运行于标准的以太网之上。EPL的应用层遵循CANopen标准。CANopen是一个应用层协议，它为应用程序提供一个统一的接口，使得不同的设备与应用程序之间具有统一的访问方式。EPL数据链路层采用管理节点统一

7、规划每个从节点收发数据的确定时序的方法，从节点通过获得EPL管理节点的允许来发送自己的数据，避免了CSMA/CD技术（IEEE802.3）中由于报文重传机制引起的网络上数据传输的不确定性行为。EPL的数据链路层主要包括如下功能：传输过程中的流量控制、差错检测、对物理层的原始数据进行数据封装等；构建/解析数据帧、对数据帧定界、网络同步、数据帧收发顺序的控制；实时通信的传输控制；网络状态机。.2.2协议的实现过程EPL是开源的以太网协议，能够基于不同的平台实现，协议的实现是后续开发的基础，本章将阐述传统的两种平台实现EPL的方法及过程，一种是基于CU为

8、核心的运动控制器；以ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）为核心的运动控制器